唐 蕾，高朝榮，趙林明

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

水輪機(jī)額定水頭是水輪機(jī)發(fā)出額定功率時(shí)所需的最低水頭。在進(jìn)行水電站設(shè)計(jì)、確定水輪機(jī)額定水頭時(shí)，需要考慮水電站的投資、水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性等多種因素。本文根據(jù)四川木里河立洲水電站的設(shè)計(jì)實(shí)踐，闡述水輪機(jī)額定水頭的優(yōu)選方法。

1 額定水頭的優(yōu)選計(jì)算

立洲水電站壩址處控制流域面積8603km2，多年平均流量為131m3/s。電站采用混合式開(kāi)發(fā)，最大壩高132m（不包括墊座），水庫(kù)總庫(kù)容1.897億m3，正常蓄水位以下庫(kù)容1.787億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.82億m3，具有季調(diào)節(jié)性能，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧下游生態(tài)用水。立州水電站在電網(wǎng)中所占比例不大，但具有季調(diào)節(jié)性能，在系統(tǒng)中主要擔(dān)任調(diào)峰、事故備用。

立洲水電站最大水頭205m，平均水頭187m，最小水頭163m，正常蓄水位2088m，死水位2068m，裝機(jī)容量為345MW，以此為基礎(chǔ)，選擇計(jì)算水輪機(jī)的額定水頭。根據(jù)立洲水電站的水頭變幅、水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能，按經(jīng)驗(yàn)公式估算，預(yù)選額定水頭分別為171m、173m、175m、177m、179m五個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算比較。水輪機(jī)效率等參數(shù)的計(jì)算均以該預(yù)選水頭段的A575c轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ)進(jìn)行。限于篇幅，這里只給出額定水頭為177m時(shí)水輪機(jī)效率的計(jì)算過(guò)程。

根據(jù)立洲水電站的水頭特征參數(shù)將對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線按照縱向水頭H坐標(biāo)劃分單元。沿H坐標(biāo)和N坐標(biāo)劃分的有限單元組合后，形成有限個(gè)單元格，如圖1所示。

水輪機(jī)加權(quán)因子的計(jì)算，可按照以下步驟進(jìn)行：

1）根據(jù)計(jì)算得到的水頭和出力參數(shù)，逐個(gè)判斷發(fā)電的機(jī)組臺(tái)數(shù)和單臺(tái)機(jī)組的出力值；

2）依據(jù)水頭和出力判斷水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖上所處位置，讀取效率值；

3）計(jì)算加權(quán)因子。

概化成果見(jiàn)表1和表2。

圖1 額定水頭177m方案水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線

表1 立洲水電站額定水頭177m加權(quán)因子

表2 立洲水電站額定水頭177m分段效率

表3 額定水頭方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

加權(quán)平均效率的計(jì)算公式為：

式中：η平為加權(quán)平均效率；Ni為水輪機(jī)逐小時(shí)出力；ηi為逐小時(shí)出力對(duì)應(yīng)效率值。

將表1、表2中的數(shù)據(jù)代入公式（1），求出立洲水電站額定水頭為177m時(shí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均效率為92.61。

五種額定水頭方案的計(jì)算結(jié)果列于表3中。

2 最優(yōu)額定水頭的確定

根據(jù)五種預(yù)選額定水頭方案的計(jì)算成果，通過(guò)綜合分析來(lái)確定立洲水電站的最優(yōu)額定工作水頭。

1）對(duì)應(yīng)五種額定水頭方案，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑分別為3.21、3.18、3.15、3.12、3.10m，轉(zhuǎn)輪直徑差別不大。隨著額定水頭的增高，轉(zhuǎn)輪直徑和水輪機(jī)重量呈減少趨勢(shì)。各方案在水輪機(jī)制造難度上，屬同一等級(jí)。通過(guò)對(duì)運(yùn)輸條件的調(diào)查，各方案的水輪機(jī)尺寸均不構(gòu)成運(yùn)輸?shù)闹萍s條件。水輪機(jī)對(duì)水電站廠房的工程量影響不大。

2）隨著額定水頭的增高，水輪機(jī)效率總體趨勢(shì)是逐漸提高，但額定水頭方案175m時(shí)由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生跳檔，效率相對(duì)較低，單機(jī)最大受阻容量也隨額定水頭的增高而逐漸增加。根據(jù)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)成果，對(duì)選定的平水年，計(jì)算代表年逐月水頭情況下水輪機(jī)單機(jī)預(yù)想出力，確定開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)和水輪機(jī)平均出力查各方案運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，得出水輪機(jī)平均效率，各方案對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)平均效率分別為92.16%、92.24%、91.97%、92.61%、93.14%。立洲水電站具有季調(diào)節(jié)性能，且上游具有不完全年調(diào)節(jié)性能的卡基娃水電站對(duì)徑流進(jìn)行調(diào)蓄，水輪機(jī)受阻不影響電站的發(fā)電量。從增加電站效率分析，立洲水電站的額定水頭應(yīng)適當(dāng)提高。

3）從投資角度分析，隨著額定水頭的增高，相關(guān)投資逐漸減小，這是由于隨著額定水頭的增高，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑減小，相應(yīng)的工程量減小。因此，考慮節(jié)省投資，額定水頭應(yīng)適當(dāng)提高。

4）從運(yùn)行穩(wěn)定性方面，分析各方案的水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)173m和177m水頭方案的運(yùn)行穩(wěn)定較好，兩者比較，177m水頭方案的機(jī)組運(yùn)行更為穩(wěn)定。

綜上所述， 額定水頭177m機(jī)組效率較高，運(yùn)行穩(wěn)定性較好，多年平均發(fā)電量較大，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。因此，確定立洲水電站水輪機(jī)的最優(yōu)額定水頭為177m。

3 結(jié)語(yǔ)

水電站額定水頭的確定是電站前期設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的工作內(nèi)容，它的確定需要綜合考慮多種影響因素。本文根據(jù)立洲水電站工程實(shí)例，介紹了額定水頭的比選過(guò)程，重點(diǎn)對(duì)加權(quán)平均效率這一反映水輪機(jī)性能的重要參數(shù)的計(jì)算過(guò)程作了較為詳盡的說(shuō)明。本文所介紹的內(nèi)容及采用的線性插值法等數(shù)學(xué)方法，可供其它水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)參考。

[1]金健, 高朝榮, 唐蕾, 等. 木里河立洲水電站可行性研究報(bào)告[R]. 貴陽(yáng): 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 2009.

[2]黃奮杰, 黃駿. 關(guān)于額定水頭選擇的探討[J]. 云南水力發(fā)電, 2004 (1): 18-21.

[3]水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. 水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京: 中國(guó)電力出版社, 2006.